KR100576071B1 - 그래파이트 시트용 열전도성 아크릴계 접착제 - Google Patents

그래파이트 시트용 열전도성 아크릴계 접착제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래파이트 시트용 열전도성 아크릴계 접착제에 관한 것으로 카르보닐기의 1 또는 2 위치에 메틸 또는 에틸로 치환되거나 치환되지 않은 C1 내지 C6의 알킬 아크릴레이트 또는 이들의 혼합물 100 중량부; 1 또는 2 위치에 메틸로 치환되거나 치환되지 않은 아크릴산 또는 이들의 혼합물 5∼20 중량부; 카보닐기의 1 또는 2 위치에 메틸로 치환되거나 치환되지 않은 글리시딜아크릴레이트 0.5∼6 중량부; 및 중합개시제 0.1∼2 중량부를 상기 모노머 고형 총량에 대하여 대략 0.5배 내지 2.5배, 바람직하게는 1배 내지 2배의 유기 용매에 용해하여 점도가 500∼10000되도록 가열 중합하여 형성된 점착제 용액과 카본블랙을 1: 0.1 내지 2의비율로 배합하여 만들어 지는 그래파이트 시트용 열전도성 접착제가 제공된다.
본 발명의 열전도성 접착제는 열전도성 카본블랙에 의해 그래파이트와의 높은 상용성으로 점착 프라이머의 처리가 없이도 그래파이트 표면과 강한 접착능을 보였다. 또한 수직 방향으로의 열 전도도 역시 기존 아크릴 점착제를 사용한 점착제와 비교하여 30% 이상의 효과를 볼 수 있었다.
점착, 접착제, 카본블랙

Description

그래파이트 시트용 열전도성 아크릴계 접착제{heat-conductive acrylic adhesive for graphite sheet}
본 발명은 그래파이트 시트용 열전도성 아크릴계 접착제에 관한 것이다. 특히 본 발명은 내열특성과 점착성이 우수하고 그래파이트 시트와 결합력이 우수한 열전도성 아크릴계 접착제에 관한 것이다.
전자기기에서 발생하는 열이 방열판으로 원활하게 흐르지 않으면 고가의 전자 디바이스가 고장나는 원인을 제공하게 된다. 디스플레이 분야 특히 PDP와 같은 경우에는 고전압 방전구조에 의하여 발열량이 증가함에 따라 원활한 열 흐름에 의한 패널의 냉각은 디바이스의 안정성에 중요한 요소가 된다. 따라서 PDP의 유리패널과 히트싱크인 알류미늄 샷시 사이의 원활한 열흐름을 위하여 종래 기술에서는 다양한 열전도성 시트를 개시하고 있지만 PDP의 대형화와 고휘도, 고선명화에 따라 더 많은 열이 발생하게 됨에 따라 기존 사용하던 아크릴타입과 실리콘 타입의 방열패드가 가진 열전도도(0.5 ~ 1.2 W/mK)를 사용했을 때 화면 밝기의 차에 기인하는 온도의 편차를 충분하게 해소하지 못하여 유리 패널에 왜곡을 일으키고 수명을 단축시키는 위험성이 내포되어 있다.
열 전도도를 높이기 위해 아크릴타입 방열패드와 실리콘 타입의 방열 패드에 박막의 알루미늄 층을 적층시킨 것들이 있었으나 열전도율이 3 W/mK 로 비교적 낮고, 아크릴과 실리콘의 낮은 열전도율 때문에 처음에는 열을 빨리 분산시키나 계면의 분리 등으로 시간이 지나면서 열 전도 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
그래파이트 시트는 평면 방향의 높은 열전도성이 밝기 차이에 의한 온도 편차의 해소에 아주 유리하고 약간의 유연성과 함께 두께 방향의 열전도성도 양호한 수준으로 PDP의 방열 패드로서 많이 채용되고 있다. 그래파이트시트는 잘 알려진 바와 같이 천연 그래파이트 플레이크를 700~1000℃ 에서 80배 혹은 그 이상 발포 시킨 후 가압 롤을 통과시켜 시트 형태로 만든 것이다. 이렇게 만들어진 그래파이트 시트는 약간의 유연성을 띠고 수평 방향 으로는 높은 열전도도 (180~ 240W/mK)를 가지나 수직 방향으로는 낮은 열전도도(5~7W/mK)를 가진다. 일반적으로 그래파이트 시트 형태(0.5mm ~ 70mm)로 만들어서 단면 혹은 양면에 점착 처리하든지 탄성 패드와 적층하여 방열패드로 사용하고 있다. 그러나 이러한 적층재와 그래파이트 표면과의 접착이 양호하지 않아 높은 단열 특성과 그래파이트 표면과 쉽게 분리가 되는 문제점이 있다.
미국특허 제6245400호에는 그래파이트 시트와 적층재와의 결합력을 보완하기 위해 그래파이트 표면에 에멀젼 타입의 페놀 계열의 프라이머를 처리하고 아크릴 점착제를 코팅한 방열시트를 개시하고 있다. 그러나 여기에 사용된 점착 프라이머, 아크릴 점착제는 모두 열전도가 낮은(0.1W/mK 이하)물질로 근본적으로 단열의 효과를 나타내고 적층재와의 결합력도 양호하지 않을 뿐만아니라 프라이머 처리를 하는 공정이 추가로 필요하다.
본 발명은 프라이머 처리가 필요 없고 그래파이트 시트와 양호한 결합력을 보이면서 열전도성이 양호한 아크릴계 접착제를 제공하기 위한 것이다. 본 발명자들은 종래 착색 충진재로 사용되오던 카본 블랙을 내열성 아크릴계 접착제에 열전도성 분말로 도입함으로써 접착제와 그래파이트 시트의 접합성이 크게 개선된다는 데 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 의하여, 카보닐기의 1 또는 2 위치에 메틸 또는 에틸로 치환되거나 치환되지 않은 C1 내지 C6의 알킬 아크릴레이트 또는 이들의 혼합물 100 중량부; 카르보닐기의 1 또는 2 위치에 메틸로 치환되거나 치환되지 않은 아크릴산 또는 이들의 혼합물 5∼20 중량부; 카보닐기의 1 또는 2 위치에 메틸로 치환되거나 치환되지 않은 글리시딜아크릴레이트 0.5∼6 중량부; 및 중합개시제 0.1∼2 중량부를 상기 모노머들 고형 총량에 대하여 대략 0.5배 내지 2.5배, 바람직하게는 1배 내지 2배의 유기 용매에 용해하여 점도가 500∼10000되도록 가열 중합하여 형성된 점착제 용액과 카본블랙을 1: 0.1 내지 2의비율로 배합하여 만들어 지는 그래파이트 시트용 열전도성 접착제가 제공된다. 일반적으로 상기 알킬 아크릴레이트는 메틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸아크릴레이트로 또는 이들의 혼합물로 이루어 지는 군에서 선택되고 상기 아크릴산은 메틸메타크리산, 메타크릴산, 아크릴산 또는 이들의 혼합물이고 상기 글리시딜아크릴레이트는 글리시딜아크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 메틸글리시딜아크릴레이트 또는 이들의 혼합물에서 선택된다.
상기 알킬 아크릴레이트 또는 이들의 혼합물은 바람직하게는 2-에틸 헥실아크릴레이트 50∼70중량%과 부틸 또는 메틸 아크릴레이트 30∼50중량%로 이루어지고 상기 아크릴산 또는 이들의 혼합물은 바람직하게는 아크릴산 40∼80중량%와 메타아크릴산 20∼60중량%로 이루어 진다. 상기 글리시딜아크릴레이트는 바람직하게는 글리시딜아크릴레이트 1∼3중량부이다.
유기 용매는 바람직하게는 톨루엔이고 여기에 용해된 점착제 용액과 카본블랙을 바람직하게는 1: 0.2내지 1.8의비율로 배합한다. 필요한 경우에는 다른 열전도성 분말이 충진량 총량이 점착액 용액의 2배를 넘지 않는 선에서 가능하다. 열전도성 분말은 잘 알려져 있다. 열전도성 분말은 금, 은, 동, 아연, 몰리브덴, 주석, 티탄, 알루미늄과 같은 금속 미립자, 금속 또는 준금속의 산화물, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물의 미립자를 포함한다. 예를 들면, 알루미나, 실리카, 마그네시아와 같은 산화물, 질화규소, 질화알미늄, 질화붕소와 같은 질화물, 탄화규소, 탄화알루미늄과 같은 탄화물이다.
카본 블랙의 함량이 아크릴 점착제 중량 대비 20% 이하가 되면 필름의 초기 접착력은 올라가지만 그래파이트 시트와의 상용성이 떨어져 그래파이트 계면에서 쉽게 탈리가 되고 또한 점착제의 열전도율이 낮아진다. 카본 블랙의 함량이 1.5배 이상이 되면 그래파이트 표면과의 상용성은 더욱 향상되지만 전체적인 점착력이 낮아지게 되어 피착제와의 점착력이 낮아져서 1.8배이하는 바람직하지만 2배 이상은 권장되지 않는다.
본 발명의 아크릴계 열전도성 접착제는 그래파이트 시트에 적용할 때 통상의 알려진 방법으로 시행된다. 예를 들면 스프레이를 하거나 블레이드로 코팅하거나 유동성을 좋게하여 침적하여 적용한다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제조예1
하기 조성의 아크릴 모노머 혼합물을 유기 용매인 톨루엔에 모노머 양이 40중량%가 되도록 투입한다. 열 중합 개시제인 AIBN(2,2'-Azobis(2-methylpropionitrile))을 전체 중량대비 0.4%가 되게 투입 후 70℃에서 4시간 동안 중합반응을 진행 한다. 4시간후 90℃에서 1시간 동안 30rpm 의 속도로 교반 하면서 숙성을 시킨다. 이런 공정을 통해 제품 중에 존재하는 잔존 모노머를 모두 반응 시켜 점도 대략 1200cps의 점착성 접착제를 제조하였다.
〈아크릴 조성〉
2-에틸 헥실 아크릴레이트 : 50 부
부틸 아크릴레이트 : 37부
아크릴산 : 8부
글리시딜 메타크릴레이트 : 2부
메타크릴산 : 3부
실시예1∼4
이렇게 만들어진 아크릴 점착제와 열전도성 카본블랙을 아래 표의 조성비로 혼합한 후 라미네이션 하여 50㎛ 두께의 양면 점착 필름을 만든다.
실시예 1 실시예 2 실시예3 실시예4
접착제 100부 100부 100부 100부
카본 블랙 70부 20부 120부 200부
1.4 mm 두께에 1.0 g/㎤의 밀도를 가지는 그래파이트 시트(모간사 제품)에 50㎛ 의 열전도성 아크릴 양면 점착테이프(실시예1∼4)를 가압 롤을 사용하여 그래파이트 표면에 코팅(라미네이션) 한다. 이때 아크릴 점착테이프에는 실리콘 이형처리가 된 종이 이형지가 붙어 있다. 코팅 후 그래파이트의 에지(edge) 부분과 뒷면을 수용성 코팅제(㈜WB신소재사 제품 WBC-HL-200)를 스프레이 방식(40ml/min)을 사용하여 10㎛ 이하가 되게 코팅을 하였다.
〈제작 시트 평가〉
실시예1의 경우 상기 방열패드의 이형지(LINER)를 제거하고, 다음의 물성치를 얻었다. 전단강도는 50N 로드셀이 장착된 로이드(Lloyd)사 제품 LR5K-plus에 크로스헤드속도(cross head speed)를 12.7mm/min의 속도로 측정한다.
열 전도도(수직) : 6.93 W/m.K
전단 강도 : 480gf / ㎠
실시예2∼4경우도 동일한 방법으로 실행했다. 표로 정리하면 다음과 같다.
상기 방열패드의 이형지(LINER)를 제거하고, 다음의 물성치를 얻었다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
열전도도(W/mK) 6.93 6.05 6.94 6.94
전단 강도(gf/㎠) 480 380 495 310
제조예2
하기 조성의 아크릴 모노머 혼합물을 제조예1과 동일한 방법으로 점착성 접착제를 제조하였다.
〈아크릴 조성〉
2-에틸 헥실 아크릴레이트 : 45 부
부틸 아크릴레이트 : 37부
아크릴산 : 8부
글리시딜 메타크릴레이트 : 2부
메타크릴산 : 3부
메틸아크릴레이트 : 5부
실시예5
상기 제조예2에 만들어진 아크릴 점착제와 열전도성 카본블랙을 다음의 조성비로 혼합한 후 라미네이션 하여 50㎛ 두께의 양면 점착 필름을 만든다.
접착제 : 100 부
카본블랙: 70 부
실시예1과 동일한 방법으로 아크릴 점착제를 코팅한다.
〈제작 시트 평가〉
실시예1과 동일한 방법으로 다음의 물성치를 얻었다.
열 전도도(수직) : 6.89 W/m.K
전단 강도 : 780gf / ㎠
카본 블랙의 함량이 아크릴 점착제 중량 대비 20% 이하가 되면 필름의 초기 접착력은 올라가지만 그래파이트 시트와의 상용성이 떨어져 그래파이트 계면에서 쉽게 탈리가 되었다. 또한 열전도성 카본 블랙의 함량이 낮아짐에 따라 열전도율이 낮아졌다. 카본 블랙의 함량이 150부 이상이 되면 그래파이트 표면과의 상용성은 더욱 향상된다. 그러나 전체적인 점착력이 낮아지게 되어 피착제와의 점착력이 낮아졌다. 카본 블랙의 함량이 200부 이상이 되면 점착력이 현저하게 떨어졌다.
본 발명의 열전도성 접착제는 열전도성 카본블랙에 의해 그래파이트와의 높은 상용성으로 점착 프라이머의 처리가 없이도 그래파이트 표면과 강한 접착능을 보였다. 또한 수직 방향으로의 열 전도도 역시 기존 아크릴 점착제를 사용한 점착제와 비교하여 30% 이상의 효과를 볼 수 있었다. 또한 점착 프라이머의 사용 공정이 필요 없음으로 인해 원가절감 및 작업시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 카보닐기의 1 또는 2 위치에 메틸 또는 에틸로 치환되거나 치환되지 않은 C1 내지 C6의 알킬 아크릴레이트 또는 이들의 혼합물 100 중량부; 카르보닐의 1 또는 2 위치에 메틸로 치환되거나 치환되지 않은 아크릴산 또는 이들의 혼합물 5∼20 중량부; 카보닐기의 1 또는 2 위치에 메틸로 치환되거나 치환되지 않은 글리시딜아크릴레이트 0.5∼6 중량부; 및 중합개시제 0.1∼2 중량부를 상기 모노머들 고형 총량에 대하여 대략 0.5배 내지 2.5배의 유기 용매에 용해하여 점도가 500∼10000되도록 가열 중합하여 형성된 점착제 용액과 카본블랙을 1: 0.1 내지 2의비율로 배합하여 만들어 지는 그래파이트 시트용 열전도성 접착제.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알킬 아크릴레이트 또는 이들의 혼합물은 바람직하게는 2-에틸 헥실아크릴레이트 50∼70중량%과 부틸 또는 메틸 아크릴레이트 30∼50중량%로 이루어지고 상기 아크릴산 또는 이들의 혼합물은 아크릴산 40∼80중량%와 메타아크릴산 20∼60중량%로 이루어 지고 유기 용매에 용해된 점착제 용액과 카본블랙을 1: 0.2 내지 1.8의 비율로 배합하여 만들어 지는 그래파이트 시트용 열전도성 접착제.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접착제에 카본블랙을 포함한 총 충진량이 1:2의 범위를 넘어 가지 않는 범위에서 다른 열전도성 분말이 더 배합되는 그래파 이트 시트용 열전도성 접착제.
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